DIFUSIÓN EN CEMENTACIÓN
EL
ESTADO
SÓLIDO
–
I: INTRODUCCIÓN: INTRODUCCIÓN: La cementación sólida de aceros comprende transformaciones de fase y por lo tanto, el cambio de las propiedades del acero, que se consiguen mediante el calentamiento hasta una determinada temperatura durante cierto tiempo y un posterior enfriamiento. Existen varios tipos de tratamientos térmicos, como el recocido, normalizado, temple y revenido, que en forma distinta cambian la estructura y las propiedades de la aleación. Cada uno de ellos se recomienda en depend dependenc encia ia de las exig exigenc encias ias plant plantead eadas as a los sem semipr iprodu oducto ctoss piez piezas as fundidas, for!adas, laminadas" y a los productos terminados engranes, engranes, #echas, dados, herramientas y aceros de alta resistencia". El trat tratam amie ient nto o tér térmico mico de ce ceme ment ntac ació ión n sóli sólida da es una una oper operac ació ión n muy importante en el ciclo tecnológico de preparación de muchas piezas sometidas a es esfu fuer erzo zos, s, desg desgas aste te,, fric fricci ción ón y tena tenaci cida dad. d. $ola $olame ment nte e con con ayud ayuda a del del tratamiento térmico se pueden obtener altas propiedades mec%nicas del acero que garantizan un traba!o normal de los elementos modernos de las m%quinas y herramientas.
II: OBJETIVOS: 2.1: OBJETIVO PRINCIPAL: PRINCIPAL: •
&eri'car experimentalmente experimentalmente la teor(a de cementación sólida mediante el uso de cementantes como el carbón vegetal y carbonato de calcio.
2.2: OBJETIVOS ESPECÍFICOS: •
• • •
)emostrar experimentalmente experimentalmente el endurecimiento endurecimiento super'cial en un acero $*E +-. edir el espesor de la capa cementada. edir la tenacidad en el ensayo de impacto Charpy. /denti'car microestructuras formadas usando la metalograf(a.
III: FUNDAMENTO TEÓRICO: 3.1: CEMENTACIÓN La cementación consiste en introducir por difusión carbono en el acero. *l ob!eto de que el carbono pueda penetrar en la super'cie del acero hay que aumentar la velocidad de difusión del carbono, que a temperatura ambiente es muy peque0a, para lo cual se calienta el acero hasta una temperatura elevada. $iempre que no se desee solamente formar una capa de carburo de hierro 1e2C" fr%gil y muy delgada, se necesita adem%s calentar el acero por lo menos cantidades de carbono en estado sólido, es decir en la zona de austenita, dado que sólo la red centrada en las caras es capaz de absorber carbono en gran cantidad. La cement cementaci ación ón propi propiam ament ente e dicha dicha del ace acero ro se reali realiza za por por difus difusión ión de carb ca rbon ono o a elev elevad ada a temp temper erat atur ura a y por por per( per(od odos os de tiem tiempo po prol prolon onga gado dos, s, siguiéndole un tratamiento de temple. El proceso de introducción de carbono se denomina se denomina carburación o me!or cementación. Las piezas a cementar se construyen, por lo regular, con acero muy ba!o en carbono, con el 'n de que durante el temple a realizar después de la cementación, el n3cleo no exper experim iment ente e un consi consider derabl able e aumen aumento to de resis resisten tencia cia y siga siga conser conservan vando do bastante ductilidad. Las temperaturas aplicadas actualmente oscilan alrededor de *c2 o ligeramente por encima de esta, pero siempre son superiores a *c+. * temperaturas entre *c+ y *c2 el carbono es absorbido por la parte de austenita no saturada en los aceros pobres en carbono. La aportación suplementaria de carbono lleva, por disminución de la temperatura *c2, a nueva formación de solución sólida. La cementación puede realizarse por agentes sólidos, l(quidos y gaseosos, que desprenden carbono. 4ero la cementación se desarrolla siempre, no por un carbono en estado molecular, sino solo por los %tomos de carbono debido a que este 3ltimo es el 3nico capaz de difundirse dentro de la red del hierro. Cement!"#n S#$"% La cementación sólida o cementación en ca!a es un proceso en el que el monóxido de carbono derivado de un compuesto sólido se descompone en la super'cie del metal en carbono o dióxido de carbono, el carbono formado es absorbido hacia el metal por difusión. Las reacciones que se llevan a cabo en la cementación son5
+
2 C O2 → 2 CO
III: FUNDAMENTO TEÓRICO: 3.1: CEMENTACIÓN La cementación consiste en introducir por difusión carbono en el acero. *l ob!eto de que el carbono pueda penetrar en la super'cie del acero hay que aumentar la velocidad de difusión del carbono, que a temperatura ambiente es muy peque0a, para lo cual se calienta el acero hasta una temperatura elevada. $iempre que no se desee solamente formar una capa de carburo de hierro 1e2C" fr%gil y muy delgada, se necesita adem%s calentar el acero por lo menos cantidades de carbono en estado sólido, es decir en la zona de austenita, dado que sólo la red centrada en las caras es capaz de absorber carbono en gran cantidad. La cement cementaci ación ón propi propiam ament ente e dicha dicha del ace acero ro se reali realiza za por por difus difusión ión de carb ca rbon ono o a elev elevad ada a temp temper erat atur ura a y por por per( per(od odos os de tiem tiempo po prol prolon onga gado dos, s, siguiéndole un tratamiento de temple. El proceso de introducción de carbono se denomina se denomina carburación o me!or cementación. Las piezas a cementar se construyen, por lo regular, con acero muy ba!o en carbono, con el 'n de que durante el temple a realizar después de la cementación, el n3cleo no exper experim iment ente e un consi consider derabl able e aumen aumento to de resis resisten tencia cia y siga siga conser conservan vando do bastante ductilidad. Las temperaturas aplicadas actualmente oscilan alrededor de *c2 o ligeramente por encima de esta, pero siempre son superiores a *c+. * temperaturas entre *c+ y *c2 el carbono es absorbido por la parte de austenita no saturada en los aceros pobres en carbono. La aportación suplementaria de carbono lleva, por disminución de la temperatura *c2, a nueva formación de solución sólida. La cementación puede realizarse por agentes sólidos, l(quidos y gaseosos, que desprenden carbono. 4ero la cementación se desarrolla siempre, no por un carbono en estado molecular, sino solo por los %tomos de carbono debido a que este 3ltimo es el 3nico capaz de difundirse dentro de la red del hierro. Cement!"#n S#$"% La cementación sólida o cementación en ca!a es un proceso en el que el monóxido de carbono derivado de un compuesto sólido se descompone en la super'cie del metal en carbono o dióxido de carbono, el carbono formado es absorbido hacia el metal por difusión. Las reacciones que se llevan a cabo en la cementación son5
+
2 C O2 → 2 CO
2 CO + Fe → ( C ) Fe + CO2
CO2 + C → 2 CO
)onde C"1e, representa el carbono disuelto en la austenita.
3.2: DIFUSION La tendencia natural de %tomos y moléculas a moverse desde zonas de alta concentración hacia zonas de ba!a concentración se llama difusión. Cuando se retira la barrera entre dos sustancias, 'gura 6, las moléculas se redistribuyen o difunden" por todo el recipiente. *l 'nal, la mezcla alcanza un estado de equilibrio, en el que las moléculas de ambas sustancias est%n mezcladas uniformemente. *unque el n3mero total de moléculas en el recipiente es el mismo que antes de quitar la barrera, la concentración de cada sustancia es menor. La velocidad de difusión depende de la masa de las moléculas5 las moléculas con m%s masa se difunden m%s lentamente. 3.3: LE&ES DE FIC' La ley de 1ic7 es una ley cuantitativa en forma de ecuación diferencial que describe diversos casos de difusión de materia o energ(a en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio qu(mico o térmico. 8ecibe su nombre del médico y 'siólogo alem%n *dolf 1ic7 que las derivó en +9::. En situaciones en las que existen gradientes de concentración de una sustancia, o de temperatura, se produce un #u!o de part(culas o de calor que tiende a homogeneizar la disolución y uniformizar la concentración o la temperatura. El #u!o homogeneizador es una consecuencia estad(stica del movimiento azaroso de las part(culas que da lugar al segundo principio de la termodin%mica, conocido también como movimiento térmico casual de las part(culas. *s( los procesos f(sicos de difusión pueden ser vistos como procesos f(sicos o termodin%micos irreversibles. 3.(: DIFUSIÓN AL ESTADO ESTACIONARIO Cuando en un sistema termodin%mico multicomponente hay un gradiente de concentraciones, se origina un #u!o irreversible de materia, desde las altas concentraciones a las ba!as. * este #u!o se le llama difusión. La difusión tiende a devolver al sistema a su estado de equilibrio, de concentración constante. La ley de 1ic7 nos dice que el #u!o difusivo que atraviesa una super'ce ; en mol cm<- s<+" es directamente proporcional al gradiente de concentración. El coe'ciente de proporcionalidad se llama coe'ciente de difusión ), en cm- s< +". 4ara un sistema discontinuo membrana que separa dos c%maras" esta ley se escribe5
3.): DIFUSIÓN AL ESTADO NO ESTACIONARIO El estado estacionario, en el cual las condiciones permanecen invariables con el tiempo, no se presenta con frecuencia en aplicaciones de ingenier(a. En la mayor(a de los casos, la difusión es en estado no estacionario, en la cual la concentración de los %tomos de soluto en cualquier punto del material cambia con el tiempo, es la que tiene lugar. 4or e!emplo si se difunde carbono en la super'cie de un %rbol de levas de acero para endurecer su super'cie, la concentración de carbono ba!o la super'cie de cualquier punto cambiar% con el tiempo a medida que el proceso de difusión avanza. 4ara casos de difusión en estado no estacionario, en el cual la difusividad es independiente del tiempo, se aplica la segunda ley de 1ic7 sobre difusión, as(5
Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es igual a la difusividad por la velocidad de cambio del gradiente de concentración. La derivación y resolución de esta ecuación diferencial se realiza con ayuda de la transformada de Laplace. La solución particular, en la cual un gas se difunde en un sólido, es de gran importancia en aplicaciones de /ngenier(a y es aplicada para resolver problemas pr%cticos de difusión industrial. La aplicación m%s importante en metalurgia de los principios de difusión es la carburización asm del acero, cuyo ob!etivo es crear una capa super'cial rica en carbono en la super'cie, y de una dureza elevada, sobre la pieza de acero de ba!o carbono. Los aceros de cementación contienen normalmente .-:= de carbono como m%ximo. $u tenor de carbono es a menudo inferior a .-= los contenidos m%ximos obtenidos en la super'cie est%n entre .>= y +.+=, de ellos .9= es el m%s empleado.
$i suponemos que un gas carburizante penetra en una barra de acero, a mediada que el tiempo de difusión aumenta, la concentración de %tomos de soluto en cualquier punto del sólido en la dirección ? también aumentar%. La relación entre la profundidad de penetración y el tiempo de carburización se puede calcular a partir de la solución de la segunda ley de 1ic75
IV: DESARROLLO E*PERIMENTAL * continuación se describe la forma de cómo se realizó el tratamiento de cementación sólida para un acero $*E +- mediante el uso de un cementante como lo es el carbón vegetal y el activador carbonato de calcio. *dem%s se dan las caracter(sticas principales de los materiales empleados en este traba!o.
(.1: ESTIMACIÓN DE LA CAPA CEMENTADA +PRO,RAMATRABAJANDO PARA ENCONTRAR EL TIEMPO A UNA DISTANCIA * DE DIFUSIÓN 4resentamos a continuación c%lculos realizados utilizando las ecuaciones presentadas en el libro fundamentos de la ciencia e ingenier(a de materiales de @illiam f. $mith5
4ara nuestro caso tenemos que obtener la ecuación de tiempo en función de la distancia de x5
4ara ello nuestra ecuación nos pide )5 entonces aplicamos la formula pero con los siguientes datos para difusión de carbono en hierro gama5
&iendo esta ecuación también debemos obtener nuestra z para poder traba!ar para ello realizaremos las operaciones siguientes5
/nterpolación para obtener z5
la ecuacion tambien nos pide ? la capa cementada y para ello la medimos de la experiencia relizada5
La dimensión que nos interesa es el ancho ya que se usara como patrón 8ECA*BDL BE8", $/EB) Este igual a .F- cm seg3n lo que marca @ord, el rect%ngulo &E8)E representa la capa cementada que es .26 cm La cementación de realizo correctamente y lo una podemos en la imagen para *plicando reglaverlo de tres simple tenemos5 medirla usaremos rect%ngulos y aplicaremos una regla de tres simple5
.: mmG.F- cm ? mmG.26 cm 0.39 cm∗0.5 mm X = =0.3145 mm
*plicaremos una regla de 2 simple5
0.62 cm
La c
entada realmente es .2+
.F-
.26
Aeniendo estos valores reemplazamos en nuestra formula5
4ara obtener valores m%s r%pido en función de x lo realizaremos en Excel5
ra'cas de tiempo vs la capa cementada5 : I: I 2: 2 -:
TIEMPO /ORAS
- +: + : -.E<I F.E<I +.E<2 +.IE<2 .EH I.E<I 9.E<I +.-E<2
m
2 -.: +.:
TIEMPO /ORAS
+ .: +.E<I 2.E<I .EH -.E<I I.E<I
m
(.2: MATERIALES & E0UIPOS •
•
• • • •
Carbón vegetal CO3 Ca
Carbonato de calcio"
4robetas $*E +- 4robeta Charpy 8ecipiente met%lico para la cementación. Jorno de mu#a
• •
•
Equipo metalogr%'co para la preparación de probetas icroscopio óptico metalogr%'co con c%mara y ret(cula graduada para medición. 8esina acr(lica para el monta!e de las probetas.
(.3: PROCEDIMIENTO (.3.1: MECLA •
ezcla de cementación con un >= de carbonato de calcio CaC 03
" y 62= de carbono vegetal.
Con estos porcenta!es se tomó con una muestra de mezcla que ten(a la cantidad de5
El carbono fue comprado y molido hasta conseguir una granulometr(a de +K2pulgadas polvo"5
•
•
4esamos el carbonato de calcio en un >= y el carbono vegetal a un 62=. /ntroducción a nuestro recipiente respetando los pasos indicados.
(.3.2: DISEO & OBTENCION DEL RECIPIENTE El 8ecipiente que se va a dise0ar es un recipiente cil(ndrico que consta de un volumen en metros c3bicos de capacidad nominal. En el cual realizaremos el proceso de cementación. La forma del recipiente tendr% un cuerpo cil(ndrico, un cabezal igualmente de forma cil(ndrica y un fondo tipo plano. $e ha elegido el cuerpo vertical tipo cil(ndrica porque su simetr(a facilita una buena distribución de tensiones y nos permite un c%lculo sencillo de las mismas, adem%s de proporcionarnos una mayor polivalencia y sencillez de construcción. Se$e!!"#n %e$ mte"$ %e$ e!"4"ente La selección del material a utilizar se dar% en base a los siguientes factores5 La temperatura al cual ser% sometido. Caracter(sticas corrosivas mediante el proceso. El tipo de mecanizado y soldabilidad. Los materiales para la construcción del recipiente para el proceso de cementación y debido a que este ser% sometido a temperaturas altas, se ha decidido utilizar *cero +-, es un acero de ba!o contenido de carbono. El material a utilizares un acero */$/ +-, *cero de ba!o contenido de carbono, de f%cil mecanizado y buena soldabilidad. )e ba!a dureza para usos convencionales de ba!a exigencia Cuando se requiere una super'cie muy dura pero un centro tenaz, este acero cementado cumple perfectamente. Estirado en fr(o me!ora sus valores de resistencia mec%nica y su maquinabilidad. A4$"!!"5ne6: Mases de matrices, soportes, engrana!es, falanges, pernos de ancla!e, e!es, cadenas, bu!es, torniller(a corriente y pasadores de ba!a resistencia. 4or su ductilidad es ideal para procesos de transformación en fr(o como doblar, estampar, recalcar, entre otros.
COMPOSICION 0UIMICA 8C .-
8Mn .F< .6
8P .I m%x.
8S ,: m%x.
TAMAO DEL RECIPIENTE $e dise0ó un envase cil(ndrico met%lico de placa de acero +- con - mm de espesor cuyas medidas son5 *ltura
+.> cm.
)i%metro interno
>cm.
)i%metro exterior
>.Icm.
Con su respectiva tapa.
)i%metro interno
>.Icm
)i%metro externo
>.9cm
*ltura
+.:cm
(.3.3: MUESTRAS7ELABORACION DE LAS PROBETAS En el proceso de carbonización se utilizaron las siguientes probetas • •
- probetas cil(ndricas + probeta Charpy
Mte"$ Aodas las probetas fueron hechas del mismo material, acero */$/ o $*E +-, debido a las propiedades y caracter(sticas que este tipo de acero presentaba, dentro de las cuales se encontraba su facilidad y buena respuesta al tratamiento termoqu(mico de cementación
C!te96t"!6 %e$ !e5 SAE 12 El +- es uno de los aceros al carbono m%s com3nmente usados. Aiene un contenido nominal de carbono de .-= y aproximadamente .:= de manganeso. Aiene un buena combinación de resistencia y ductilidad y puede ser endurecido o carburizado. .
D"6e;5 %e $6 45 La probeta Charpy fue hecha siguiendo la norma /$ +>6<+, *$A ) F++ , en donde se especi'ca las dimensiones, el %ngulo y profundidad de la muesca.
(.3.(: SELLADO DEL ENVASE: 4ara el sellado se empleó *rena s(lice F=" H arcilla refractaria I=" se mezcla con agua, la contextura es como la plastilina o la masilla de ventanas, y barbotina. B<5t"n
La barbotina es simplemente una mezcla de arcilla y agua para lograr una consistencia barrosa o casi l(quida, y es utilizada especialmente para unir trozos previamente elaborados. C5m456"!"#n Es un material semisólido que se compone t(picamente de alg3n tipo de arcilla a la que se agrega carbonato de calcio CaC2", cuarzo, silicato de sodio, y carbonato de sodio, y agua sin superar I:= del peso de los materiales sólidos. A!"$$ Re?!t" Esta arcilla es conocida como refractaria por su resistencia al calor. Dna *rcilla refractaria son aquellas arcillas que tienen un punto de fusión elevado, situado sobre +.F y +.>:NC. $u color en estado natural oscila entre en el blanco, gris. $u uso principal en la cer%mica, es el realizar el material refractario, ladrillos, crisoles, en general para todas las piezas que tienen que traba!ar en uso continuado sobre el fuego. $us cualidades f(sicas var(an, pudiendo ser m%s pl%sticas, as( como %spera o granular. eneralmente contienen una proporción de hierro y se asocian al carbón. *rcilla fuego es resistente a las altas temperaturas, que tienen puntos de fusión m%s alto que +F C, por lo que es apto para hornos de revestimiento, como ladrillo de fuego, y la fabricación de los utensilios empleados en las industrias metal3rgicas, como crisoles, 8ecipientes, retortas y cristaler(a. )ebido a su estabilidad durante la cocción en el horno, que se puede utilizar para hacer que los elementos comple!os de cer%mica, tales como tuber(as y art(culos sanitarios. C5m456"!"#n @9m"!: La composición qu(mica t(pica de arcillas de fuego son -2<2I= de *l-2, $i- := pérdida en la ignición, !unto con diversas cantidades de 1e-2, Ca, g, O-, Ba- y Ai-. Los an%lisis qu(micos de dos fuentes del siglo +6, que se muestran en la siguiente tabla, son algo m%s ba!os en al3mina aunque unas citas de origen m%s contempor%neos an%lisis que est%n m%s cerca. L Aen S9$"! 5 Aen %e S9$"!e: Es un compuesto resultante de la combinación del $(lice con el x(geno. $u composición qu(mica est% formada por un %tomo de s(lice y dos %tomos de xigeno, formando una molécula muy estable5 $i.
Los usos industriales de la s(lice derivan de sus importantes propiedades f(sicas y qu(micas, destac%ndose especialmente su dureza, resistencia qu(mica, alto punto de fusión, piezoelectricidad, piroelectricidad y transparencia. ¿Cómo se hizo el sellado?
$e colocó la arcilla refractaria a :cm de la parte superior del envase hasta el ras, luego se colocó la barbotina en una proporción que al momento de colocar la tapa del envase rebalse la barbotina para que selle también todo el contorno de la tapa. Luego se selló con una capa gruesa de arcilla refractaria al contorno de toda la tapa para que no haya ninguna fuga de la mezcla.
:c
Marbotin *rcilla
Aerminado el sella!e se espera a que se seque la arcilla refractaria, aproximadamente + d(a y nuestro contenedor estar% listo para ingresar al horno. 4reparamos la muestra para realizarles el temple, inmediatamente las ingresamos a la mu#a $e denomina mu#a a la parte refractaria de un horno en la cual se disponen los productos que deben tratarse, para protegerlos de la acción directa del fuego o de la acción oxidante del aire.", la cual consta de unas resistencias de cer%mica y de ladrillos refractarios. (.3.): CEMENTACION DEL ACERO SAE 12 P5!e%"m"ent5 %e L<5t5"5 17 Se$e!!"#n & C5te %e !e5 %e 3 $eleccionamos el acero +- el cual ten(a unas medidas aproximadas de Icm de largo, el cual cortamos - pastillas de - cm para hacerles el proceso termoqu(mico de la cementación seguida de un tratamiento térmico, temple, y as( poder visualizar la capa cementada con m%s visibilidad.
$e realiza el corte a nuestra pastilla con una ho!a de sierra", en la cual se demora por lo menos I minutos, sin e!ercer mucha presión a la ho!a de sierra de manera que no se recaliente demasiado y como refrigerante usamos al agua.
A$"6t%5 $ me6t )espués de tenerlas cortadas a la medida necesaria, pasamos cada una de las muestras por el esmeril para remover los imperfectos del corte, después comenzamos con el pulido con una li!a BN I, y luego pasamos sucesivamente hasta la Li!a Bo +-. Pe4!"#n P L Cement!"#n 4reparamos la muestra para realizarles la cementacion, inmediatamente las ingresamos a la mu#a $e denomina mu#a a la parte refractaria de un horno en la cual se disponen los productos que deben tratarse, para protegerlos de la acción directa del fuego o de la acción oxidante del aire.", la cual consta de unas resistencias de cer%mica y de ladrillos refractarios. TIEMPO
PARA
LA
CEMENTACION
>5 P /niciamos a elevar la temperatura 65 P *lcanza una temperatura de 9:N C constante por - horas" *l alcanzar la temperatura deseada para la cementación 9:N C" *l transcurrir el tiempo requerido, - horas, se sacan las muestras de la mu#a y esperamos que enfrié. Esta clase de acero puede ser empleado en piezas que no estén sometidas a fuertes esfuerzos mec%nicos. Considerando la escasa penetración de temple que tiene, generalmente se usa en estado normalizado. 4uede emplearse en estado templado y revenido para piezas de peque0o espesor. 4uede ser cementado cuando se requieren propiedades mec%nicas m%s altas de las que pueden obtenerse con el tipo +- en cuyo caso se aplican las mismas normas de cementación que las especi'cadas para este acero. (.3.: TRATAMIENTO TERMICO AL ACERO SAE 12 – TEMPLE Como tratamiento complementario a la cementación, se realizó un temple a las probetas cil(ndricas, las cuales fueron cortadas por la mitad con referencia a su di%metro. Luego el %rea expuesta después del corte fue nivelada con el esmeril y acto seguido li!ado.
Las probetas fueron introducidas al horno durante un tiempo aproximadamente de - minutos a una temperatura de 9: NC, luego fueron retiradas e inmediatamente enfriadas r%pidamente en agua. E?e!t56 *ntes de endurecer el material, la microestructura del material es una estructura de grano de perlita que es uniforme y laminar. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita formada cuando el acero o hierro fundido se fabrican y se enfr(a a una velocidad lenta. )espués de enfriamiento r%pido endurecimiento, la microestructura de la forma material en martensita como una estructura 'na, grano de agu!a. (.(: ENSA&OS DE LAS PROBETAS A- En6>5 %e "m4!t5 La probeta Charpy después de ser sometido al tratamiento termoqu(mico respectivo, cementación, que fue a una temperatura de 9:NC y por un tiempo de - horas.< ahora es sometida al ensayo de impacto. La muestra se coloca horizontalmente en un patrón especial que garantiza estrictamente la posición de la incisión ranura, entalla" en la parte media del vano entre los apoyos. El impacto es aplicado desde el lado opuesto a la incisión, en el plano perpendicular al e!e longitudinal de la muestra. El péndulo se fi!a en la posición superior inicial a la altura hQ de +.Fm, lo que corresponde a una velocidad del cuchillo del péndulo, en el momento del impacto de :.F mKs. Luego la u0a de '!ación se retira, el péndulo cae libremente por efecto de su propia gravedad aplicado un impacto a la muestra, que se encorva y destruye elev%ndose en relación a su e!e vertical del péndulo Charpy en un angulo R. Este angulo es tanto menor, cuanto mayor es la energ(a aplicada en el proceso por el péndulo para la deformación y destrucción de la muestra
Dna vez
realizada el ensayo, se prosigue al siguiente pasoS que consta en la toma de datos y la comparación de la probeta Charpy sometida al tratamiento térmico con una probeta sin tratamiento. Esto se realiza con la 'nalidad de saber cu%nto de dureza R5!Ge$$" se a incremento en la probeta Charpy que fue sometida al tratamiento térmico en 7ilopondios".
−3
−3
Area = 8 × 10 m× 10 × 10 m −5
2
Area = 8 × 10 m
Resilencia =
Resilencia =
(marca + 0.2) × gravedad área
(2.75 + 0.2 )× 9.81 −5
8 × 10
Resilencia =361,74 KJ / m
3
C/ARP& SIN TRATAMIENTO:
Resilencia =
(18.3 + 0.2 )× 9.81 −5 8 × 10
Resilencia =226.86 KJ / m
B- En6>5 %e %eH
3
)esde el punto de vista f(sico se de'ne la dureza como la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara.< Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes5 •
•
DeH B"nne$$: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de Tolframio. 4ara materiales duros, es poco exacta pero f%cil de aplicar. 4oco precisa con chapas de menos de F mm de espesor. Estima resistencia a tracción. DeH R5!Ge$$: $e utiliza como punta un cono de diamante en algunos casos bola de acero". Es la m%s extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. $e suele considerar un ensayo no destructivo por el peque0o tama0o de la
huella. Re6$t%56
8ealizando el ensayo de dureza R5!Ge$$" de las probetas se obtuvieron los siguientes resultados5
$*E +- Charpy5 >>. J8M G <> J8C" >.6 J8M >6.F J8M 9.: J8M $*E +- Charpy cementada5 9:.-> J8M G 2 J8C" 9:.- J8M 9-.I J8M 99.- J8M
$*E +- Charpy cementada5 >F.> J8M G <> J8C" >.F J8M centro" >9. J8M borde" 9+.: J8M borde" 4*$A/LL* $*E +- cementada y templada M8)E"5 ++>.6 J8M G :J8C ++>.I J8M ++9.I J8M 4*$A/LL* $*E +- cementada y templada CEBA8"5 62.9 J8M G +IJ8C" 62.9 J8M
C- ENSA&O METALO,RFICO 4ara efectuar un estudio metalogr%'co a una pieza, se requiere de una cuidadosa selección y preparación de la misma. La probeta deber% ser caracter(stica 'el del metal estudiado y servir para el 'n a que se dirige tal estudio. La técnica de preparación de muestras es sencilla, pero requiere mucho cuidado en cada una de las etapas y sobre todo mucha limpieza. Las etapas para un ensayo metalogr%'co son5 T5m %e me6t: La muestra debe ser caracter(stica y representativa de las piezas a estudiar, debe escogerse la muestra del lugar que nos pueda dar mayor información o hacer /nteresante el estudio. $e llevó una fracción de la probeta Charpy al microscopio donde se vio una sola estructura de grano es decir su microestructura era similar en toda la pieza es por ello que para ver a me!or detalle y para tener resultados adecuados y precisos se le aplica la metalograf(a. C5te %e $ me6t: Ua seleccionadas las muestras, se deber% tener precaución para seccionar la pieza a 'n de no alterar sus propiedades y microestructura. 4or ning3n motivo
se deber% sobrecalentar la muestra ya que el calentamiento puede alterar la estructura. $e debe tener en cuenta cómo se realizara el corte, ya sea longitudinal o transversamente, seg3n el caso del estudio. M5nte %e $ me6t: El propósito del monta!e es facilitar el mane!o durante el pulido de la muestra y preservar los bordes, estandarizar tama0os y en algunas ocasiones identi'car bien las muestras. El monta!e consiste en incrustar una peque0a muestra dentro de un soporte que puede ser met%lico, resina, pl%stico. De6<6te %e 45
En general se revela la estructura de las aleaciones con un ataque diferencial o manchado de las diversas fases debido a su diferente composición qu(mica, con lo cual se tienen variadas velocidades de disolución. En aleaciones o metales monof%sicos, la diferencia en velocidad de disolución no se atribuye a su composición qu(mica, sino a su orientación cristalogr%'caS unos granos son atacados con mayor o menor velocidad. *ntes del ataque, en la mayor(a de las probetas es conveniente observarlas en el microscopio, en ocasiones los detalles son enmascarados por el ataque, as( como los poros, grietas, defectos super'ciales, etc. 4ara las inclusiones no met%licas, su evaluación se realiza sin ataque. El ataque normalmente se efect3a de dos maneras5 /nmersión o por frotación. En cualquier caso se recomienda seguir las indicaciones que se dan respecto a la temperatura y la concentración. El tiempo de ataque var(a para cada muestra dependiendo de la magni'cación a la que se va a observar, se debe recordar que la probeta deber% estar completamente libre de grasa y seca antes de atacar, con el 'n de lograr un ataque bueno y uniforme. En caso de sobre atacar la muestra, se deber% pulir de nuevo, ya sea en el 3ltimo e inclusive hasta el desbaste 'no, dependiendo del da0o provocado. Los reactivos para llevar acabo el ataque qu(mico en la muestra met%lica pueden ser de diferentes caracter(sticas lo cual depende del tipo de material, el reactivo utilizado fue Bital al .:=. REACTIVO ATA0UE
DE COMPOSICION Wcido blanco +<: ml
!"%5 n9t"!5 *cido met(lico o et(lico + ml
USOS *ceros al carbón a"para oscurecer la perlita y dar contraste entre colonias de perlitas b"Xpara revelar las fronteras de las perlitas ,c"para diferenciar la ferrita de las martensitas
RESULTADOS & DISCUSIÓN SELLAJE En nuestra primera experiencia utilizamos un sellado de espesor de -cm el cual no funcionó, buscando el porqué de nuestro error consultamos al /ng. 4epe /ng. etal3rgico" con el cu%l concluimos que el carbón combustionó con la arcilla refractaria y llegó a fugar por el contorno del
envase. 8ecopilando información y por experiencias anteriores que tuvo el /ng. 4epe obtamos en utilizar una capa de arcilla refractaria de aprox. I<:cm de espesor, siendo un éxito nuestro segundo sella!e.
C4 !ement% !5m4!"#n: Jemos podido observar mediante nuestros c%lculos que la muestra de nuestra capa cementada es de .2+ mm, este c%lculo realizado mediante medida de nuestra capa cementada de nuestra probeta usando una regla de tres simple, en el c%lculo del programa a esta distancia usando la capa cementada como variable independiente y el tiempo como dependiente pudimos tener con estos c%lculos que el tiempo para5 Dna concentración super'cial de + tenemos5
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valor bibliografico −valor experimental × 100 valor bibliografico
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2.13 horas −2 horas
comparación ( )=
comparación ( )=
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2.13 horas
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× 100 =6.10
4odemos ver que tenemos un error del F.+ = un valor que supera el : = entonces fuera del rango de recomendación del : = como aceptable. 4ara una concentración super'cial de .6 respetando el rango de .9 < + tenemos5
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valor bibliografico −valor experimental × 100 valor bibliografico
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2.48 hor as −2 horas
comparación ( )=
comparación ( )=
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2.48 horas
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× 100 =19.35
Este valor esta también fuera del rango. ANLISIS DE LAS MICROESTRUCTURAS
CONCLUCIONES JUAN CARLOS MA0UERA MAMANI *l 'nalizar con el traba!o de investigación podemos concluir que el contenido de carbono en el proceso de carbonización el incremento de carbono ser% dar% en la fase de la perlita por lo tanto en esta fase se mostrara una mayor cantidad de carbono. $e puede observar en las siguientes probetas metalogr%'cas que se utilizaron para realizar la profundidad de cementado o difusión del carbono muestra claramente las distintas zonas analizadas metalogr%'camente. En la zona superior se observa estructura martens(tica con agu!as dispersas sin orientación preferente, dentro del grano austenitico se denota agu!as de austenita el cual presenta austenita retenida, esto indica que no logro su transformación completa, esto se debe a que la probeta fue sometido a un excesivo tiempo dentro del horno cuando se hiso el templado. En la zona central o del n3cleo se observa granos poligonales con l(mites de ferrita adem%s de l%minas largas o islas de perlita, Contiene una mayor cantidad de perlita y en el borde de grano de la ferrita se deposita la martensita. En la zona cementada, las dos probetas presentaron una alta concentración de carbón. )ando origen a la formación de martensita. )e acuerdo a los resultados obtenidos durante la presente investigación, en función a la metodolog(a empleada, podemos a'rmar con alta aproximación que dichos resultados expuestos y analizados, en que los ob!etivos propuestos en el planteamiento del proyecto , tiene una alta relación con el contenido teórico.
APAA PUMACA&O S/ULI ,UIBELL •
El tratamiento termoqu(mico de cementación, endureció la capa super'cial de >> J8M <> J8C" de a 2 J8C del acero $*E +-S y aplicando el tratamiento de temple se obtuvo una dureza super'cial de : J8C, lo cual elevó resistenciaS ahora las piezas son capaces de
resistir desgastes teniendo un n3cleo tenaz apto para resistir deformación. El resultado obtenido es realmente notableS después de tener durezas muy ba!as, se comprobó por medio del escleroscopio que estas aumentaron con todos los tratamientos que se les aplicó. Aambién se pudo observar mediante el an%lisis metalogr%'co el espesor de la capa cementada que se formó, obteniendo mediante c%lculos una comparación real de .2+mm y mediante la simulación en Excel de .2mm, lo que nos indica que nuestro tratamiento fue correcto. BUSTINA JACINTO 'EVIN ANT/ON& •
Jemos comprobado que el tratamiento termoqu(mico de cementación se ha producido mediante la difusión del carbono, del entorno, en el 'erro, situado en las probetas de acero, pero eso solo ocurre super'cialmente. *l mismo tiempo hemos veri'cado que las variables independientes del proceso son el tiempo y la temperatura, siendo esta ultima la que m%s in#uencia tiene el espesor de la capa cementada. En la super'cie se ha producido una variación de su composición qu(mica y una alteración de las estructuras cristalinas, adquiriendo el acero nuevas propiedades mec%nicas en la super'cie, debido a la formación de martensita, como dureza, resistencia al desgaste, etc, y manteniendo las propiedades iniciales de ductilidad en el nucleo o centro.
C/URATA LAURA EDAR •
1inalizado el presente traba!o se concluye que, La cementación sólida, utilizando carbón vegetal pulverizado, es un tratamiento termoqu(mico que incorpora dureza super'cial a piezas ferrosas de ba!o contenido de carbono. Los carbones vegetales nacionales estudiados se mostraron e'cientes, como material de carburización y que las durezas alcanzadas con la utilización del carbón vegetal fueron signi'cativas en la obtención de la capa cementada. La utilización de mezclas cementantes de carbón vegetal y carbonato de calcio, incorporaron resistencia super'cial en la probeta charpy, la cual fue capaz de obtener mayor dureza que en su estado inicial.
0UISPE /ANCCO LIUS ENRI0UE
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El tratamiento temo
COA,UILA 0UICO SOLEDAD E. •
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)entro de la cementación in#uye mucho el porcenta!e de activador que sea usado en la muestra y si el uso del carbono es vegetal o mineral me!or dicho la obtención del carbono puesto que en varios casos la obtención de la capa perlitica var(a seg3n como sea el carbono ya que a mayor porcenta!e de carbono difundido m%s ser% la obtención de la perlita. En el temple de un acero cementado tiene que tenerse mucho en cuenta el tiempo y la temperatura a que fue sometida, cuando se somete al temple para tener mayor dureza de la ya obtenida y una resistencia mayor a la perlita que viene a ser la martensita. U la obtención se ve afectada con el medio del #uido templante apropiado ya que le dar% dureza deseada. En la obtención de la martensita se sometio a un agitamiento5 )urante la etapa de YBucleate MoilingZ el l(quido contacta la super'cie caliente y se evapora produciendo burbu!as de vapor, en esta etapa se produce fuertes corrientes convectivas, resultado de altas rapideces de transferencia de calor.
SARAA /ELACONDE MARIA DEL ROSARIO •
La conclusión que pude sacar al respeto de la Cementación es que es un tratamiento térmico muy utilizado para el endurecimiento del acero, teniendo una super'cie dura para resistir el desgasta y un n3cleo interno tenaz para resistir la fractura.
